マイクロプロセッサ冷却システムの現状

Sep 07, 2023

マシュー・チャン

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この文献レビューは元々、カリフォルニア大学バークレー校の大学院レベルのコース ME 290R (製造のトピック - ナノスケール材料操作) のために Matthew Cheung によって 2017 年 12 月に書かれたものです。

歴史的に、マイクロプロセッサのダイサイズは比較的一定でした。 トランジスタ数の増加により性能は向上しましたが、マイクロプロセッサ パッケージの総発熱レベルは比較的安定しています。 したがって、ムーアの法則による計算密度の増加を超えて計算密度をさらに高めるために、マイクロプロセッサ クーラーのメーカーはクーラーの小型化を推進しており、冷却システムをマイクロプロセッサ ダイ自体に統合しようとさえ試みています。 このレビューでは、マイクロプロセッサ冷却の歴史について簡単に説明し、その後、現在のテクノロジーの有効性について触れます。

索引用語 — 電子機器冷却、ジェットインピンジメント冷却、液体冷却、マイクロ流体冷却、マイクロプロセッサー。

ムーアの法則によれば、集積回路 (IC) 上の単位面積あたりのトランジスタの数は、約 18 か月ごとに 2 倍になります。 しかし、その成長は指数関数的な性質を持っているため、それが永遠に続く可能性は低いです。 実際、トランジスタがますます小さくなり、原子の限界に近づくにつれて問題が発生します。 計算密度の増加に対する需要の増大に対応するために、熱に対する懸念はますます大きくなっています。

ほとんどのコンピューターコンポーネントには、何らかの冷却機能が備わっています。 IC の非効率性の結果として熱が発生します。 電気抵抗は熱発生に大きく寄与します。 コンピューター コンポーネントのパフォーマンスと効率は大幅に向上しましたが、冷却は依然として必要です。

コンピューターの動作中に、熱により問題が発生する可能性があります。 たとえば、プロセッサーの作業負荷が高く、冷却システムが十分な速度で熱を放散できない場合、プロセッサーのパッケージ温度を安全な動作温度まで下げようとして周波数を下げることにより、プロセッサー自体が「アンダークロック」される可能性があります。 ただし、それでも温度が上昇し続ける場合、最新のプロセッサはシステムを完全にオフにして、ハードウェアを危険な動作温度から保護しようとします。

熱の大部分が集積回路からどのように発生するかを理解するために、トランジスタに注目します。 消費される静的電力、P_S、漏れ電流と電源による、漏れ電流と電源電圧による、は次の方程式で与えられます。

ここで、V_CCは電源電圧、I_CCデバイスに流れる電流です。 ある論理状態から別の論理状態に切り替えるときに消費される電力は、過渡 (動的) 電力 P_T です。であり、次の方程式で与えられます。

ここでC_pdは動的電力損失容量、V_CCは電源電圧、f_Iは入力信号周波数、N_SWスイッチングするビット数です。 外部負荷容量の充電により消費される電力、P_L, は次の方程式で与えられます。

ここで、Nはビット数、C_L_nはビットnの負荷容量です、f_O_nはビット n の出力周波数です、V_CCは供給電圧です。 最後に、総電力消費量 P_Total、(1)、(2)、(3) の加算的な組み合わせです。

ここでP_S消費される静的電力、P_Tは消費される過渡電力、P_Lは外部負荷容量で、すべて上記 [1] で与えられています。

消費電力の一部は電気工事に使用されますが、残りは熱に変換されます。 あらゆる作業負荷の下でチップによって生成される設計上の最大熱は、多くの場合、チップ メーカーによって熱設計電力 (TDP) として与えられます。 ハードウェア設計者は、冷却システムがどれだけの熱を放散する必要があるかを知る必要があるため、作業するチップの TDP を知る必要があります。